超声波声化学简介

1986年4月8-11日，第一届国际化学学术讨论会在英国Warwick大学召开，它标志着一门新的交叉学科—声化学(sonochemistry)的诞生。研究在机械波作用下引起的化学反应或化学反应过程的改变的化学分支学科。又称机械波化学。用于化学反应的机械波波长通常为6.9~17毫米，产生机械波的装置称作机械波发生器，核心部件是压电晶体或磁致伸缩元件。所谓声化学主要是指利用机械波加速化学反应，提高化学产率的一门新兴的交叉学科。声化学反应不是来自机械波与物质分子的直接相互作用，因为在液体中常用的机械波波长为10cm--0.015cm,远远大于分子尺度。声化学反应主要源于机械波空化—液体中空泡的形成生长、收缩、直至崩溃，机器引发的物理、化学变化。

声化学原理

空化效应——当机械波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈运动，会在液体内部产生小空洞空化效应一这些小空洞迅速胀大和闭合，导致液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体温度骤然升高，起到很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化，并且加速溶质溶解，加速化学反应。这种由机械波作用在液体中所引起的各种效应称为机械波的空化作用。

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在清水中的空化实验展示

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机械波效应——机械波在传播过程中与媒质相互作用，相位和幅度发生变化，可以使媒质的状机械波效应一态、组成、结构、功能和性质等发生变化。这类变化称之为机械波效应。机械波与媒质的相互作用可分为机械力学机制和空化机制。在一个由机械波促进的化学反应体系中，以上的几种机制，或单独或协同的对反应起着催化作用。机械波应用于化学反应能提高化学反应速率、缩短反应时间、提高反应选择性，而且能激发在没有机械波存在时不能发生的化学反应。由于机械波化学具有独特的反应特性，目前受到广泛关注，是合成化学等极为重要且十分活跃的研究领域之一。

乳化简介

不同的行业，乳液的制造工艺有很大差异，这些差异包括所使用的组分（混合物，包括溶液中的各种成分），乳化方法，更多的加工条件。乳化液是两种或更多种不混溶液体的分散体，超声波乳化设备提供了高强度的超声波能量，将液相（分散相）分散在第二相（连续相）的小液滴中，所需的能量。

两种液体可以形成不同类型的乳液，举个例子，油和水。首先，水包油乳液，其中油是分散相，水是分散介质。其次，它们可以形成油包水乳液，其中水是分散相，油是连续相。同时也可能形成多重乳液，包括“水包油包水”乳液和“油包水包油”乳液。

超声波乳化简介

超声乳化是指在超声波能量作用下使两种（或两种以上）不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液的工艺过程。超声波乳化技术已广泛应用食品、造纸、涂料、化工、制药、纺织、石油、冶金等工业领域。

乳化过程

超声波乳化是由空化作用引起的。穿过液体的超声波使其连续地进行压缩和膨胀。高强度的超声波提供了分散液相所需的能量。当达到最大压力时，在内聚力较弱的点处，产生液体破裂。这种破裂之后，在发生破裂的点处出现超压，并发现存在一些空腔。在这些空洞中，液体溶解的气体以气泡的形式在短时间后爆炸。

乳化液不稳定引起聚结

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为了稳定新形成的分散相液滴以防止聚结，将乳化剂（表面活性物质，表面活性剂）和稳定剂加入到乳液中。将最终液滴尺寸分布维持在与超声分散区中液滴破裂后进行分布时的相等水平。

空化过程受超声波频率和强度的影响，体中空化的出现，在很大程度上取决于液体悬浮未溶解气体的存在，气体的存在似乎起到了催化剂作用。在一定的压力下，空腔的形成在一定程度上取决于发展时间和超声频率。超声乳化过程代表了对立过程之间的竞争。因此，有必要选择合适工作条件和频率，以便破坏效应占主导地位。

要制备水包油型乳液，其极限声强比制备油包水型乳液的极限声强要低得多。声场的类型影响乳化过程，即施加一定的行波。与施加一些静止波相比，过程效率提高了。这可以通过以下事实来解释：在静止波场中，与分散相反的过程，即凝结占优势。

超声波石蜡乳化实验

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设备简介

设备可以由一个或多个上千瓦的超声波处理器组成，有效提供了将实验室的应用转化为工业生产的能力，实现结果媲美当今最好的高压均质机，以便在连续流动或批量获得精细分散的乳液。设备维护成本非常低，而且十分容易操作和清洗。设备功率可调，可以适应特定的产品的乳化要求。

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常规性工具头设备优势

1. 可以控制乳状液的类型。

2. 生产乳液所需的功率小。

3. 所形成的乳液更加稳定，有的稳定几个月至半年以上。

4. 浓度高，纯乳液浓度可超过30%，外加乳化剂可达70%。

5. 成本低，超声波乳化一个重要的特点就是可以不用或少用乳化剂便产生非常稳定的乳液。

6. 与一般乳化工艺和设备(如螺旋桨、胶体磨和均质器等)相比，超声波乳化具有许多优点。

试验展示

超声波处理液体时，传播到液体介质中的声波会产生交替的高压（压缩）和低压（稀疏）循环。在高低压循环期间，液体中会产生小的真空气泡或空隙，当气泡达到不能再吸收能量的体积时会出现剧烈塌陷，这种现象称为空化现象。在内爆期间，局部达到非常高的温度和压力，空化气泡的内爆也导致液体射流速度高达280m/s。

超声波声化学常规型工具头乳化实验

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设备参数

总技术参数	振动部件参数	组成配件及材料
规格型号：HC-LP2005GL-1	冷却方式：气冷	换能器：压电陶瓷/进口铝
设备功率：300w/500w	最高承受温度：0-45℃	变幅杆：优质航空铝
工作频率：20.0±1kHz	最大承受压强：常压	工具头：高强度钛合金
输入电压：220v/50Hz	振动部件功率：500w	固定法兰：高强度铝合金

声化学设备应用

超声波乳化设备广泛应用于食品、造纸、涂料、化工、制药、纺织、石油、冶金等工业领域，超声设备可以很容易地安装在现有的生产线上，便于制造商以较低的成本升级设备。超声波乳化也能创造一般方法不起作用的乳剂。常用的混合方法只能在水中制造 5% 的石蜡，不可思议的是，在功率超声波的作用下，可以制造20%的石蜡乳液。

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超声波乳化超声乳化是指在超声波能量作用下，使两种（或两种以上）不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀分布在另一液体之中而形成乳状液的工艺过程。	超声波分散和解聚固体在液体中的分散和解聚是超声系统的一个重要应用。超声空化产生高剪切力，将颗粒团聚体分解成单个分散粒子。将粉末与液体混合是各种产品的常见步骤，如油漆、油墨、洗发剂、饮料或抛光介质。	超声波湿磨和微磨超声波是颗粒湿磨和微磨的一种有效手段,特别是对于超细尺寸浆料的制造。超声波允许处理高浓度和高粘度浆液，减少处理设备的体积。超声波加工适合于加工微米级和纳米尺寸的材料，如氢氧化铝、硫酸钡等。

超声波萃取超声波萃取亦称为超声波提取。是利用超声波辐射压强产生的强烈空化效应、扰动效应、高加速度、击碎和搅拌作用等多级效应,增大物质分子运动频率和速度,增加溶剂穿透力,从而加速目标成分进入溶剂，促进提取的进行。	超声波灭活超声波灭活亦称超声波灭菌、杀菌等。根据超声空化效应，瞬间产生数以亿计的空化微泡，众多的空化气泡瞬间产生并瞬间“爆破”，同时伴随高温和高压，液体温度不断升高，空化效应产生强大的机械剪切作用，可将微生物细胞壁破碎开来，使得细胞内容物溢出细胞壁之外，达到灭活目的。	超声波消泡超声波设备可以有效的对液体进行脱气和消泡处理。在这种情况下超声波从液体中去除小悬浮气泡，并将溶解气体的水平降低到自然平衡水平以下。超声波也将有助于气泡从容器表面脱离，并迫使位于液体表面下方较小气泡上升并将夹带的气体释放到环境中。